建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的研究

賈志鵬

摘 要：本文首先闡述和分析了建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則以及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，然后結(jié)合實(shí)際案例，從結(jié)構(gòu)類(lèi)型選擇、轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置、計(jì)算分析結(jié)構(gòu)等方面對(duì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的布置進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：建筑工程；轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)方案

中圖分類(lèi)號(hào)：TU97 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是在有不同功能劃分的建筑中。而轉(zhuǎn)換層受力復(fù)雜，又承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的荷載，因此，轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)方案布置對(duì)結(jié)構(gòu)整體的安全性尤為重要。

一、建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則以及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

進(jìn)行建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注重結(jié)構(gòu)計(jì)算的合理性，從全局角度出發(fā)，提高最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)踐期間，通常是根據(jù)受力變形情況建立求解模型，全面研究三維空間架構(gòu)特征，完成計(jì)算工作。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)屬于綜合結(jié)構(gòu)不可或缺的環(huán)節(jié)之一，考慮到結(jié)果的精確度，我們可以選擇有限元法分級(jí)求解。具體實(shí)施階段，不但要重視模型中的結(jié)構(gòu)層數(shù)量（兩層及以上），而且需要確保其邊界條件和真實(shí)情況完全匹配。計(jì)算綜合結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，需要通過(guò)兩種或以上的力學(xué)模型確認(rèn)抗震性能，而針對(duì)彈性時(shí)程的求解，應(yīng)當(dāng)選擇彈塑性時(shí)程進(jìn)行處理。高位轉(zhuǎn)換期間，必須根據(jù)重力荷載環(huán)境完成結(jié)構(gòu)的計(jì)算。

轉(zhuǎn)換層屬于高層建筑結(jié)構(gòu)的重要組成，所以有關(guān)其內(nèi)力分析，必須從全局出發(fā)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究與探討。而在綜合內(nèi)力以及位移求解方面，可以選擇兩種不同的算法進(jìn)行處理，即三維空間與空間關(guān)系協(xié)作分析法，以上算法的優(yōu)勢(shì)如下：綜合計(jì)算過(guò)程中，將轉(zhuǎn)換構(gòu)件理解成其中的一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行計(jì)算。然而，由于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)豎向剛度并非均衡狀態(tài)，豎向部署容易發(fā)生明顯改變，因此在結(jié)構(gòu)部署上，必須遵循概念設(shè)計(jì)與力學(xué)概念進(jìn)行處理，同時(shí)依靠過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐成功案例，全面分析后為結(jié)構(gòu)部署冗余桿件與加強(qiáng)點(diǎn)。一般來(lái)講，高層建筑含有轉(zhuǎn)換層的情況中，我們可以借助三維分析、平面有限元等程序完成計(jì)算工作。此處需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，轉(zhuǎn)換大梁在其中尤為關(guān)鍵，必須成為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。對(duì)于工程設(shè)計(jì)而言，我們需要借助建研院提供的TBSA，TAT等軟件進(jìn)行大梁的分析設(shè)計(jì)，而計(jì)算上則可以將其理解成桿件，完成結(jié)構(gòu)整體分析，根據(jù)上層結(jié)構(gòu)作用至轉(zhuǎn)換層的荷載，基于有限元法進(jìn)行轉(zhuǎn)換層與鄰近平面的研究，最終確定配筋狀況。

二、建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案實(shí)例分析

某高層建筑工程，裙樓為商業(yè)用房，塔樓為住宅。由于根據(jù)其用途特性實(shí)現(xiàn)空間搭配，主要表現(xiàn)在主體中間環(huán)節(jié)，也就是電梯間、樓道等公用環(huán)節(jié)，可采用落地剪力墻核心筒進(jìn)行處理，而其他環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)選擇合適的結(jié)構(gòu)模式。遵照以上設(shè)計(jì)理念，二層頂應(yīng)當(dāng)選擇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模式，最終得到我們需要的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。轉(zhuǎn)換層上下樓層的結(jié)構(gòu)布置如圖1、圖2。

3.1 結(jié)構(gòu)類(lèi)型選擇

結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層方面，工程設(shè)計(jì)期間應(yīng)當(dāng)基于需求選擇相匹配的類(lèi)型，而本工程中，若是選擇厚板轉(zhuǎn)換層，因本項(xiàng)目處于7度設(shè)防區(qū)，轉(zhuǎn)換層又位于地上三層，根據(jù)《高規(guī)》10.2.4條之規(guī)定，7度設(shè)防時(shí)，厚板轉(zhuǎn)換僅在轉(zhuǎn)換層位于地下室時(shí)方可采用。且轉(zhuǎn)換厚板造價(jià)高，施工困難，受力狀態(tài)較為復(fù)雜，傳力途徑不明確，使得建筑物在轉(zhuǎn)換層處出現(xiàn)剛度的突變，使得轉(zhuǎn)換層產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力較大，不適用于多震地區(qū)。但是選擇箱形轉(zhuǎn)換時(shí)，便可以消除以上不足，這種轉(zhuǎn)換方式可以保證結(jié)構(gòu)的完整性，上、下豎向構(gòu)件與上層結(jié)構(gòu)部署沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)。但是其內(nèi)力分析過(guò)程煩瑣，轉(zhuǎn)換層施工有一定難度，施工較為困難且造價(jià)過(guò)高。因此選擇梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案更為合理。

3.2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置

在本項(xiàng)目中豎向轉(zhuǎn)換構(gòu)件的布置有以下特點(diǎn)：（1）在建筑四周轉(zhuǎn)換柱兩側(cè)布置短肢剪力墻，中部設(shè)置與上部結(jié)構(gòu)剪力墻貫通的核心筒作為主抗側(cè)力構(gòu)件。建筑四周轉(zhuǎn)換柱兩側(cè)布置剪力墻的目的有兩個(gè)：一是提高剪力墻承擔(dān)的地震剪力的比例；二是提高結(jié)構(gòu)整體抗扭轉(zhuǎn)的能力。并且有利于減小框支柱的軸力，控制框支柱軸壓比≤0.6。（2）落地墻厚度設(shè)為600，控制轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效剛度比不大于1.3，并盡量接近1.0。

轉(zhuǎn)換梁的布置應(yīng)該傳力直接明確，盡量避免采用二次轉(zhuǎn)換，但在此工程中，上部空間劃分為住宅空間，因此為滿足設(shè)計(jì)要求，就需要設(shè)置置轉(zhuǎn)換主梁和次梁，并且為滿足建筑功能要求，加設(shè)了部分短肢剪力墻。轉(zhuǎn)換梁的布置需特別注意以下兩點(diǎn)：

在上部墻肢或者轉(zhuǎn)換次梁靠近轉(zhuǎn)換柱較近時(shí)，轉(zhuǎn)換梁端部會(huì)產(chǎn)生較大剪力；

上部剪力墻不能居轉(zhuǎn)換梁中線布置時(shí)，轉(zhuǎn)換梁也會(huì)產(chǎn)生很大扭矩；

問(wèn)題（1）可通過(guò)梁加腋（包括水平或豎向加腋），或局部加大梁截面的方式處理；問(wèn)題（2）可通過(guò)增加次梁、增加轉(zhuǎn)換梁寬度、水平加腋等方式解決。

3.3 計(jì)算分析結(jié)構(gòu)

在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)，其計(jì)算選擇的合理性直接影響到計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性及可靠性。在此工程中選用的就是以墻元模型模擬剪力墻的SATWE空間有限元軟件。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步選定轉(zhuǎn)換梁截面，用SATWE進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，得到轉(zhuǎn)換梁所受設(shè)計(jì)剪力后，按照該值不大于0.15fcbh/0.85校核截面尺寸。對(duì)轉(zhuǎn)換梁不僅有強(qiáng)度要求，也有剛度要求。本工程轉(zhuǎn)換層的層高為5.8m，轉(zhuǎn)換梁的最大凈跨度為7.5m，大梁截面尺寸為800mm×1800mm，1000mm×2000mm，1200mm×2200mm。梁寬度不小于上部墻體厚度（200mm），梁高度大于梁跨度的1/6，均滿足要求。根據(jù)軸壓比確定框支柱主要截面尺寸：1000mm×1000mm，1200mm×1200mm。

根據(jù)SATWE的計(jì)算結(jié)果，并采用FEQ進(jìn)行有限元對(duì)轉(zhuǎn)換構(gòu)件進(jìn)行分析復(fù)核。

結(jié)語(yǔ)

總而言之，建筑工程設(shè)計(jì)行業(yè)是推動(dòng)我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)至關(guān)重要的產(chǎn)業(yè)類(lèi)型，在建筑工程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的分析與優(yōu)化對(duì)建筑結(jié)構(gòu)整體的結(jié)構(gòu)性能與建設(shè)成本的控制有著重要的意義。轉(zhuǎn)換層是上下不同結(jié)構(gòu)體系的銜接部位，剛度突變、應(yīng)力集中，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)首先對(duì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行深入分析與研究對(duì)結(jié)構(gòu)安全有著重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1]熊進(jìn)剛，吳曉莉，陳禮建，等.有梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究[J].工業(yè)建筑，2011，31（6）：34-36.

[2]李艷娜，李蘭英，吳慶蓀.高層建筑中梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)[J].中州建筑，2008（1）：44-47.